- •10.1 Назначение и типы компрессоров
- •10.2 Термодинамический анализ работы компрессора
- •10.3 Многоступенчатое сжатие
- •10.4 Расход мощности на привод компрессора
- •10.5 Индикаторная диаграмма поршневого компрессора
- •10.6 Изотермический и адиабатный к.П.Д. Компрессора
- •11.1 Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
- •11.2 Циклы газотурбинных установок
- •11.5 Сравнение циклов гту
- •11.6 Методы повышения к.П.Д. Гту
- •12.1 Цикл Карно для водяного пара и его недостатки
- •12.2 Цикл Ренкина
- •12.3 Влияние параметров пара на термический к.П.Д. Цикла Ренкина
- •12.4 Регенеративный цикл для водяного пара
- •12.5 Теплофикационные циклы
- •12.6 Циклы бинарных парогазовых установок
- •12.7 Методы прямого преобразования энергии
- •13.1 Общие характеристики холодильного цикла
- •13.2 Цикл воздушной холодильной установки
- •13.3 Цикл парокомпрессионной холодильной установки
- •13.4 Цикл пароэжекторной холодильной установки
- •13.5 Абсорбционные холодильные установки
- •13.6 Цикл теплового насоса
- •14.1 Основные понятия термодинамики химических реакций
- •14.2 Тепловой эффект химических реакций
- •14.3 Закон Гесса и его следствия
- •14.4 Закон Кирхгофа
- •14.5 Скорость химической реакции и закон действующих масс
- •14.6 Обратимость реакций и химическое равновесие
- •14.7 Степень диссоциации и ее связь с константой равновесия
- •14.8 Термодинамические условия равновесия химических реакций
- •14.9 Свободная энергия и изобарный потенциал как характеристические функции
- •14.10 Максимальная работа химических реакций
- •14.11 Уравнение Гиббса –Гельмгольца
- •14.12 Максимальная работа как мера химического сродства
- •14.13 Уравнение изотермы химической реакции
- •14.14 Закон Вант – Гоффа
- •14.15 Зависимость скорости реакции от температуры
- •14.16 Тепловой закон Нернста
13.1 Общие характеристики холодильного цикла
Холодильными установками или холодильными машинами называются устройства, предназначенные для понижения температуры тел ниже температуры окружающей среды и непрерывного поддержания заданной низкой температуры. Тепло, отнимаемое от охлаждаемого объекта, воспринимается холодильным агентом и передается им окружающей среде.
Искусственный холод находит широкое применение в народном хозяйстве на строительстве каналов и туннелей (замораживание грунта), при сжижении технически важных газов, в пищевой промышленности, при кондиционировании воздуха и т. д. В большинстве случаев производство искусственного холода основано на совершении холодильным агентом обратного цикла. Наиболее экономичным из обратных циклов является обратный цикл Карно (см. § 6.4).
T
Рисунок 13.1
Для осуществления этого цикла необходимо затратить работу lо, измеряемую площадью, которая ограничена линией цикла 1-2-3-4-1 и равна разности работ расширения и сжатия холодильного агента. Затраченная работа превращается в тепло и передается вместе с теплом охлаждаемого объекта теплоприемнику, т. е.
.
Количество тепла, отводимое в единицу времени от охлаждаемого объекта, называется холодопроизводительностью установки. Тепло, отводимое от охлаждаемого объекта одним килограммом холодильного агента, т. е. тепло q2, называется его удельной холодопроизводительностью.
Для характеристики эффективности холодильного цикла, осуществляемого путем затраты работы, как было сказано в гл. 5, служит холодильный коэффициент ε, определяемый по формуле (5.2).
В некоторых случаях холодильная установка действует за счет затраты не механической работы, а тепла q0, расходуемого при температуре, более высокой, чем у окружающей среды. В таких случаях эффективность установки оценивается коэффициентом использования тепла ξ , равным отношению количества тепла, отнятого от охлаждаемого объекта q2 , к затраченному на это теплу q0, т.е.
. (13.1)
По виду применяемых холодильных агентов холодильные установки делятся на две группы – воздушные, в которых холодильным агентом служит воздух, и паровые, в которых в качестве холодильных агентов используются пары различных низкокипящих веществ. Паровые холодильные установки подразделяются на пapокомпрессионные, пароэжекторные и абсорбционные.
13.2 Цикл воздушной холодильной установки
В первых холодильных установках в качестве холодильного агента использовался воздух. Принцип действия воздушной холодильной установки, схема которой приведена на рисунке 13.2, а идеализированный цикл на рисунках 13.3 и 13.4, состоит в следующем.
Воздух с давлением p1 поступает в детандер 1, где адиабатно расширяется по линии 1-2 до давления р2 и совершает при этом работу, отдаваемую детандером внешнему потребителю (например, генератору электрического тока).
Расширение воздуха сопровождается понижением его температуры от T1 до Т2. Затем он поступает в рефрижератор 2, где отбирает тепло от охлаждаемого объекта при p2 = const по линии 2-3. Температура его при этом повышается от Т2 до Т3, теоретически равной температуре охлаждаемого объекта. Далее воздух направляется в компрессор 3, где сжимается до давления p1 с повышением температуры от Т3 до Т4 по адиабате 3-4. Наконец, воздух поступает в охладитель 4, где его температура понижается при p = const по линии 4-1 за счет отдачи тепла охлаждающей воде, имеющей температуру окружающей среды, теоретически равную Т1.
Рисунок 13.2 Рисунок 13.3
Рисунок 13.4
Таким образом, в результате осуществления цикла тепло q2 передается с уровня, соответствующего температуре Т3, на уровень, соответствующий температуре T1.
Холодильный коэффициент установки определяется по формуле
(5.2), т. е.
,
причем, считая воздух идеальным газом с постоянной теплоемкостью, получаем
.
Следовательно,
.
Для обратного цикла Карно, совершаемого в тех же температурных пределах, график которого в Ts-диаграмме (рис. 13.4) изображается прямоугольником 1-2/-3-3/-1, имеем
.
Поскольку T3 > T2, то εк > ε.
Этот же вывод можно сделать непосредственно из Ts-диаграммы, которая показывает, что в цикле воздушной холодильной машины отбирается меньше тепла, чем в обратном цикле Карно, а затрачиваемая работа значительно больше.
В качестве примера рассмотрим сравниваемые циклы в интервале температур от t1 = 20°C до t3 = -5°С. Положим при этом, что для воздушной холодильной установки p1= 4 бар, р2 = 1 бар. Тогда для адиабаты 1-2 получаем из (4.15)
.
В соответствии с этим холодильный коэффициент цикла воздушной холодильной установки
,
а холодильный коэффициент обратного цикла Карно
,
т.е. в 5,22 раз больше.
Это сравнение показывает, что эффективность воздушных холодильных установок невелика. И действительно, такие установки отличаются малой холодопроизводительностью и требуют больших расходов воздуха.
Во второй половине XIX в. были распространены воздушные холодильные установки с поршневыми компрессорами, однако впоследствии они практически перестали применяться из-за их малой экономичности. В настоящее время благодаря применению турбокомпрессоров и регенерации тепла экономичность воздушных холодильных установок возросла, и они находят все более широкое применение.